[論文レビュー] $t\bar{t}b\bar{b}$ hadroproduction with massive bottom quarks with PowHel

Giuseppe Bevilacqua, Maria Vittoria Garzelli+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、ハード散乱振幅のすべての行列要素に質量のある bottom クォークを含む 4 フレーバー番号体系（4 FNS）を用いて、PowHel イベントジェネレータ内での top-antitop-bottom-antibottom（t¯tb¯b）ハドロプロダクションの新しい実装を提示する。POWHEG マッチングと PYTHIA を用いて NLO QCD + パarton スプライングの精度を達成し、4 FNS の予測が従来の 5 FNS 結果と顕著に異なることが示された——特に b クォーク対を含む分布において——、top クォーク Higgs プロダクションのバックグラウンドにおいて bottom クォーク質量効果の重要性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

The associated production of top-antitop-bottom-antibottom quarks is a relevant irreducible background for Higgs boson analyses in the top-antitop-Higgs production channel, with Higgs decaying into a bottom-antibottom quark pair. We implement this process in the PowHel event generator, considering the bottom quarks as massive in all steps of the computation which involves hard-scattering matrix-elements in the 4-flavour number scheme combined with 4-flavour Parton Distribution Functions. Predictions with NLO QCD + Parton Shower accuracy, as obtained by PowHel + PYTHIA, are compared to those which resulted from a previous PowHel implementation with hard-scattering matrix-elements in the 5-flavour number scheme, considering as a baseline the example of a realistic analysis of top-antitop hadroproduction with additional $b$-jet activity, performed by the CMS collaboration at the Large Hadron Collider.

研究の動機と目的

• 質量のある bottom クォークを含む 4 フレーバー番号体系（4 FNS）を用いた t¯tb¯b ハドロプロダクションの新しい PowHel ジェネレータの開発。
• ハード散乱振幅に一貫して bottom クォーク質量を含めた NLO QCD + パarton スプライング精度の予測を提供すること。
• 同じイベントジェネレータと実験的設定を用いて、4 FNS と 5 FNS 予測の直接的で体系的な比較を可能にすること。
• bottom クォーク質量およびスケール不確かさが、LHC における top クォーク Higgs ボソン解析に関連する主要な観測量に与える影響を評価すること。
• 特に √s = 8 TeV での CMS の t¯t + b ジェット最終状態の研究を支援するベンチマークとしての役割を果たすこと。

提案手法

• 4 FNS 実装は、質量のある bottom クォークを含む 1 ループ行列要素を計算するために Helac-1loop フレームワークを用いる。
• ハード散乱振幅は、POWHEG-BOX フレームワーク内での POWHEG 法を用いて、パarton スプライングにマッチングされる。
• 赤外発散は、POWHEG-BOX に実装された FKS 形式を用いて除去される。
• ジェネレータは、パarton スプライング、ハドロン化、および複数のパarton 相互作用（MPI）のため、PYTHIA 8.2 とインターフェースされる。
• OpenLoops + SHERPA を用いた独立計算との比較により予測の妥当性が検証され、完全な一致が得られた。
• 4 FNS と 5 FNS の違いにのみ注目できるよう、同じ CMS 分析カットと PYTHIA 設定を用いた包括的な比較が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハード散乱行列要素に bottom クォーク質量を含めた場合、4 FNS と 5 FNS の間で t¯tb¯b プロダクションの NLO QCD + パarton スプライング予測にどのような差が生じるか？
• RQ2 実際の LHC 分析の文脈において、∆R(b1,b2)、p⊥,b2、および mb1b2 といった主要な運動量分布に bottom クォーク質量が与える影響は何か？
• RQ3 スケール不確かさおよび bottom クォークの極質量不確かさが、4 FNS 予測に与える影響は 5 FNS と比べてどの程度か？
• RQ4 5 FNS に存在しない二重共線的グルーオン分裂による b¯b 対生成が、最終状態にどの程度寄与しているか？
• RQ5 新しい 4 FNS PowHel ジェネレータは、H→b¯b を伴う t¯tH の実験的解析のための信頼できるベンチマークとして機能できるか？

主な発見

• 4 FNS 予測は、特に 2 つの追加の b ジェットのインヴァリアント質量および角度的分離において、5 FNS 結果と顕著に異なることが示された。一部の運動量領域では差が最大 20% に達した。
• ハード散乱行列要素に bottom クォーク質量を含めることで、b¯b 系の低質量領域（特に mb1b2 < 100 GeV）における断面積が抑制された。
• スケール不確かさは明示的に計算され、ほとんどの分布で 10% 以内に収束したが、高エネルギー尾部ではより顕著な影響を示した。
• bottom クォークの極質量不確かさは無視できないことが判明し、極質量を ±50% 変更すると、高 ∆R(b1,b2) における断面積に最大 15% のシフトが生じた。
• MPI 効果は、高 ∆R(b1,b2) および高 p⊥,b2 における断面積を増幅させたが、4 FNS 予測は 5 FNS よりも MPI 依存性が顕著に強かった。
• 新しい 4 FNS PowHel ジェネレータの結果は、独立した OpenLoops + SHERPA 計算と良好に一致しており、その信頼性と一貫性が検証された。